基本信息
- 项目名称：
- 水质安全新卫士:一种用于水质毒性检测的多通道微生物传感器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 突发性水质污染事件已经成为我国用水安全和水环境质量的一个潜在威胁。本作品针对当前我国面临严峻水环境污染危机的应急监测能力不足问题，研究开发一种灵敏、便携和经济的新型多通道微生物传感器，用于水体污染的常规急性毒性分析和应急性环境监测，为我国的水环境安全提供有力的技术保障。
- 详细介绍：
- 近年来，我国有毒污染物引起的水质安全与生态安全问题突出，化学品引起的环境污染事故频发，不仅造成巨大的经济损失，而且导致社会的不安定和生态环境的严重破坏。突发性水质污染事件已经成为我国用水安全和水环境质量的一个潜在威胁，为预防突发性水质污染事件的发生和对已发生的污染事件迅速处置，建立水质污染预警系统显得尤为必要和迫切。 本研究小组针对现有生物传感器毒性分析技术存在的不足，研究开发了一种具有独立自主知识产权的多通道电流型微生物传感器，它通过选择固定不同的毒性敏感菌株，对污染物的毒性做出快速评价，可实现对常见毒性物质测定的标准偏差≤8%；微生物电极保存有效期3月（4℃条件下）；丝网印刷电极可重复使用≥50次；毒性分析灵敏度：重金属（以Hg2+计）0.05ppm，毒性有机物（以苯酚计）0.1ppm。 应用研究表明，该微生物传感器与基于发光细菌的毒性检测仪和呼吸仪等相比，具有毒性检测污染物范围宽、操作简单、不受样品色度和浊度干扰、毒性检测结果更具客观真实性等优势，可很好适用于常规水质急性毒性分析和应急性环境监测。其推广应用对提升我国的环境监测能力和保障水环境生态安全具有重要实际意义，具有一定的经济、环境和社会效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：针对当前我国面临严峻水环境污染危机的应急监测能力不足的问题，自主研究开发一种灵敏、便携和经济的新型微生物传感器，用于水体污染的常规急性毒性分析和应急性环境监测。 基本思路：将筛选出的毒性敏感菌株固定在碳工作电极表面作为敏感材料，利用其氧化还原代谢反应产生电流的变化实现对待测物质毒性的定量测定：当毒性污染物存在时，微生物细胞呼吸作用因受到毒性抑制作用表现出电流强度的变化，根据待测污染物对微生物电流影响的程度来判断其毒性的强弱。 创新点：（1）研究开发的微生物传感器，具有结构简单、价格和分析费用低廉、便携、毒性分析性能好等特点；（2）设计开发的操作软件人机交互界面友好；（3）其基于电流检测的原理使毒性分析不受样品色度和浊度的干扰，样品无需预处理，操作简单。 技术关键：（1）基于嵌入式微处理器的生物传感换能器电路系统的开发；（2）基于C++语言的人机界面友好的微生物传感器软件系统的开发；（3）生物传感器微电极的制备技术；（4）毒性敏感菌株的固定化技术。 主要技术指标：检测时间：5~30min；重量：6.5kg；工作环境温度：10~40 ℃；电源：220V交流电源，野外15V电池；对常见毒性物质测定的标准偏差≤8%；微生物电极保存有效期3月（4℃条件下）；可筛选固定不同的毒性敏感菌株，构建新型的微生物传感器毒性分析系统；丝网印刷电极可重复使用≥50次；毒性分析灵敏度：重金属（以Hg2+计）0.05ppm，毒性有机物（以苯酚计）0.1ppm。
科学性、先进性
- （1）在生物传感器的硬件和软件上：本作品采用低功耗CPU控制系统，在实现测试精度要求的同时，有效推进了生物传感器的小型化和低成本；低失调电流的放大电路设计提高了仪器的精度。人机界面友好的操作软件系统的开发，有利于该仪器的推广应用。 （2）在生物传感器的分析性能上：目前，国内外已研究开发的水质毒性分析用生物传感器，多是基于微生物的发光、细胞生长、呼吸和酶活性变化等生理指标为指征。但是实际应用表明，上述毒性分析技术存在一定的局限性，如基于发光菌的毒性分析存在：菌株单一、难以长期保存、分析费用偏高和分析受样品色度、浊度干扰等不足；而基于耗氧速率的测试方法中，易受周围环境的影响，造成毒性分析的灵敏度不够，误差较大。本作品发明的水质毒性检测用微生物传感器与基于常见的发光细菌和呼吸仪等毒性检测仪相比，具有毒性检测污染物范围宽、操作简单、分析费用低廉、不受样品色度和浊度干扰、毒性检测结果更具客观真实性等优势。本作品具有独立的自主知识产权，获得了实用新型专利一项，软件著作权一项。
获奖情况及鉴定结果
- （1）被列入大学生物科委科技行动计划项目（2010年） （2）被列入大学生创新实践训练计划（SITP）项目（2010年）。 （3）上海市第十二届上海市大学生课外学术科技作品竞赛暨第十二届“挑战杯”上海市选拔赛决赛一等奖。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 独家许可
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：（1）毒性分析时间短（5-30min）；（2）毒性分析灵敏度高，不受样品浊度和色度的影响；（3）仪器价格和分析费用低廉，操作简便；（4）测试所需样品少（约5mL），无需预处理；（5）可筛选固定不同的毒性敏感菌株，构建新型微生物传感器水质毒性分析系统，用于污染物的综合毒性分析。（6）操作软件菜单设计逻辑性强，数据以图表显示，且可实现自动报警提示，人机交互界面友好。 作品的适用范围：其潜在用户主要集中在水质检测部门及环保科研院所，例如各级环境监测部门、自来水厂和污水处理厂以及高等院校等，可应用于突发性环境污染事件的污染物现场快速应急检测，以及工厂、饮用水水源地和饮用水水质的常规检测。 推广前景：当前我国的水体不仅面临着由传统污染物引起的污染，而且还面临着水环境毒物污染的严峻挑战。本发明的水质毒性检测用多通道微生物传感器可很好适用于水质的常规急性毒性分析和应急性环境监测，有着广阔的推广应用前景，其推广应用必将产生较大的经济效益、社会效益和环境效益。
同类课题研究水平概述
- 1. 水质毒性检测方法的研究现状：废水毒性的测定主要有化学方法和生物学方法，传统的化学分析方法虽然能定量分析废水中主要污染物的成分及含量，但不能直接和全面地反映毒性物质对环境的综合影响，使其在水体污染的风险评价中受到很大限制。 2. 水质毒性检测用生物传感器的研究现状：二十一世纪是生命科学和信息科学的世纪，以现代生命科学与信息科学为基础的生物传感器技术成为环境监测技术的主要发展方向之一。目前，国内外已研究开发了多种生物传感器毒性分析技术，它们多是基于微生物的发光、细胞生长、呼吸等生理指标为指征。在国内外已研究开发的毒性分析技术中，基于发光细菌发光性能变化原理的毒性分析仪得到了较为广泛的应用。然而，上世纪80年代末，科学家发现，如常用的发光细菌V. fischeri和P. phospohreum均属于海洋生物，在毒性分析中，为了满足海洋发光细菌的生理需要，必须在淡水样品中添加食盐达到3％，但如此高浓度的钠或氯离子，会影响某些有毒物质的生物学毒性表现，尤其是对重金属污染物的生物可利用性。另外，如常用的明亮发光杆菌P.phosphoreum的 pH 适应范围窄，测定时必须将样品 pH 调至 7.3~7.5，因此根据细菌的发光情况来判断水质就会产生偏差，这是海洋发光细菌的一个主要不足之处。为了克服上述不足，我国科研人员研究发现了一种淡水发光细菌—青海弧菌，可以在淡水环境中实现对样品的毒性检测，但该类细菌在重复培养过程中，活性容易发生变异，导致毒性分析的灵敏度下降。另一方面，现有的微生物传感器毒性分析技术多是以为数不多的单一纯菌株为受试体，从环境污染生态学观点考虑，由于单一细菌对不同污染物的毒性敏感性不同，实际检测污染物范围相对较窄，分析结果往往难以反映污染物毒性的真实情况。同时，在发光菌法毒性分析中，由于它是基于细菌发光强度的变化为指标，其在使用中不可避免地受水体的色度和浊度的影响，导致毒性分析的重复性较差。而其它如基于微生物呼吸耗氧速率变化的毒性测试方法中，容易受周围环境的影响，造成毒性分析的灵敏度不够，误差较大。 总体而言，我国的生物传感器技术起步较晚，虽有一些如基于发光菌毒性检测仪器的开发，但其分析性能与国外进口仪器相比仍存在一定的差距，且缺乏自主知识产权。本作品发明的多通道微生物传感器具有独立的自主知识产权和良好的创新性。
